CN105222947B - 带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆 - Google Patents
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Abstract
带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,包括多个首尾串联的形空心套管,相邻空心套管间由连接装置连接,连接装置中部侧面开有中部内腔、上下两端开有与中部内腔相通的上下腔室,且下腔室较上腔室更靠近轴线;连接装置还设有上下贯通的通水管,上腔室内安装有光纤光栅压差式传感器,中部内腔的外端口处安装有透水石,中部内腔还装有量程保护装置,量程保护装置内含活塞,当外部压力过大时活塞将上腔室封闭从而阻断传感器与外部环境压力的联系。本发明结构简单、制作成本低、工作可靠,能够实现不同深度海床超孔压的测量,可在不影响超孔压测量探杆正常使用的情况下自动实现量程保护。
Description
技术领域
本发明涉及带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,用于实现传感器的自我保护及探杆长度调节,属于海洋观测技术领域。
背景技术
海底工程地质原位观测是海洋科学向深海进军的重要手段,对于揭示深海动力作用下现代沉积物发生的动态响应过程、深入认识海洋动力地质过程具有重要作用。孔隙水(气)压力(以下简称孔压)作为反映海床沉积物特征的敏感指标,其变化能够导致沉积物强度降低,甚至发生液化,进而造成海底滑坡等地质灾害。反应海底沉积物动力特征的是超孔压,而非静孔压。直接对海床超孔压的观测,对于海底动力地质过程的研究有更大的帮助。为实现对深海底超孔压的直接观测,普遍使用的方法是布放孔压探杆,通常采用的布放方法为重力式贯入法,依靠自重将设备压入到海床沉积物中。
孔压测量探杆一般使用的是传统的孔压传感器(电测式、流体压力式等),由于深海环境恶劣,使得传统的传感器面临无法工作、被腐蚀、量程不足、精度不足等问题,往往无法用于深海长期原位观测。而光纤光栅压差式传感器凭借其耐腐蚀、抗电磁干扰、精度高、结构简单、体积小、能耗少等优势,在海洋观测领域有极大的发展空间。而基于光纤光栅压差式孔压传感器制作的超孔压测量探杆,可以实现对超孔压的直接、高精度测量。测量时密封的超孔压探杆一部分贯入海床沉积物中,另一部分位于海水中,探杆顶端的连接管道连通上部海水,将静水压力引入探杆内,作用于传感器一侧;沉积物中的水-土总压力透过透水石传入传感器的另一侧,作用于传感器两侧的压差即为该位置外沉积物的超孔压值。
但此种传感器存在一定的缺陷,在压差超过量程一定范围时,会造成光纤的拉伸断裂,只有受到一定程度的压缩使其处于松弛状态时才是安全的。依靠自身重量贯入的探杆在贯入过程中会产生的极大超孔压,使得光纤受拉断裂,从而使设备损坏。为保护传感器在过压条件下不被损坏,解决这一缺陷主要方法是安装传感器量程保护装置。
目前所存在的传感器量程保护装置采用贯通探杆内外压力的方法,解决了超孔压测量探杆布放过程中出现的超量程问题。这种传感器量程保护装置一般内置于测量探杆中,与探杆合为一体不可拆卸。由于传感器量程保护装置内部结构较为复杂,将其内置于探杆中更是增加了制作难度。在实际观测中常常需 要根据特定的观测条件设计不同长度、不同观测间距的超孔压测量探杆,耗费大量物力、财力及时间。不仅如此,传统的超孔压测量探杆由于长度过长,占用空间大,携带困难,在野外实际测量中存在诸多不便。目前尚未有一种深海底超孔隙水压力测量探杆可同时实现传感器量程保护和探杆可拼接两种技术。
发明内容
本发明的目的是提供带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,以克服现有技术的不足。
带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,其特征在于该探杆顶端为密封舱连接装置、底部为锥头,密封舱连接装置与底部锥头之间为探杆主体,所述的探杆主体是由多个圆柱形空心套管首尾串联而成,且每相邻两个空心套管之间由连接装置进行连接,
所述的空心套管两端内部刻有内螺纹;所述连接装置整体呈圆柱形,且中部与空心套管的直径相等、两端均刻有与所述内螺纹相配合的外螺纹,连接装置中部侧面开有中部内腔,且连接装置自上下两端分别沿轴向开有与所述中部内腔相通的上腔室和下腔室,且下腔室较上腔室更靠近连接装置的中轴线;该连接装置还设有贯通上下两端的通水管,且该通水管与中部内腔、上腔室、下腔室均不连通;上腔室内固定安装有光纤光栅压差式传感器,中部内腔的外端口处安装有透水石,
所述的中部内腔中还装有量程保护装置,该量程保护装置包括一个外形与中部内腔内部形状相吻合的圆柱形壳体,该壳体的外端面为敞开结构,且壳体外侧面分别开有与所述的上腔室和下腔室相通的上透水孔和下透水孔,壳体内腔的底部固定有压力弹簧,压力弹簧的另一端与壳体内的后端活塞相连,所述的后端活塞通过连杆与前端活塞相连,所述的后端活塞、前端活塞的截面与壳体内腔的截面一致,且前端活塞表面设有透水孔,为防止后端活塞滑动时封闭下透水孔,在下透水孔朝向后端活塞的一侧安装有挡台;且当后端活塞向壳体底部运动至该挡台时,前端活塞将所述的上透水孔完全封闭;
光纤由通水管贯通整根探杆,海水也由此在探杆内部流通,外部海水通过透水孔传至上腔室,当后端活塞两侧压力差值高于设定值0.9FS(满量程)时,后端活塞和前端活塞向壳体底部运动,使前端活塞顶部将上透水孔完全封闭,阻断光纤光栅压差式传感器与外部环境压力的联系。
所述空心套管的上下两端侧面分别设有多个螺栓孔,所述连接装置的上下两端侧面分别设有多个螺孔,且空心套管与连接装置通过内外螺纹相互连接之后,所述的螺栓孔与螺孔相互一一重合,并有穿过螺栓孔的螺栓固定连接空心套管与连接装置。
上述密封舱连接装置同位于探杆主体顶端的空心套管通过内外螺纹相互连接,并有螺栓将密封舱连接装置同与其相连的空心套管固定连接在一起。
所述光纤光栅压差式传感器与上腔室之间设有密封装置,而使海水不能自下方越过而至光纤光栅压差式传感器的上方。
所述透水石与量程保护装置管壁之间设有密封装置。
上述压力弹簧的弹性满足以下条件:光纤光栅压差式传感器的满量程为FS,当活塞两侧压差P1-P2达到传感器量程0.8倍时,开始推动活塞向左移动,当活塞两侧压差达到传感器量程0.9倍,即P1-P2=0.9FS时,活塞位置恰好将上透水孔完全封闭,当压差继续增大时,由于挡台的作用活塞不再继续向左移动,随着超孔压逐渐消散活塞两侧压差减小,当活塞两侧压差减小到到传感器量程0.9倍时,压力弹簧回弹,活塞开始向右运动,当压差减小到0.8FS时上透水孔全部打开,传感器与外部环境相互贯通。
探杆贯入海床的过程中,杆受巨大的压力挤入沉积物中,会在管壁与沉积物接触区域瞬间产生极高的超孔压,外部环境压力会通过透水石,经由透水孔下、上透水孔传至光纤光栅压差式传感器。活塞顶部受到外部环境传来的总压力,活塞底部受到静水压力,两侧所受压差在数值上与传感器测量到的超孔压相等,当活塞两侧压差增大到一定值,压力推动活塞向左移动,直到完全封闭上透水孔,隔绝传感器与外部环境的联系,此时传感器测量到的超孔压保持不变,始终在传感器量程范围内,使得光纤光栅压差式传感器不会因外界环境压力较大而出现超出量程的情况,保护光纤不受损坏。
随着超孔压逐渐消散,外部环境压力减小,弹簧回弹,活塞逐渐右移,当压力值减小到一定程度时,上透水孔被全部打开,此时传感测量值即为周围环境总水压力与该位置处静孔隙水压力之差。
本发明结构简单、制作成本低、工作可靠,能够根据不同的实际测量需求,选择相应长度的连接套管和所需数量的传感器,拼接组成测量探杆,以实现不同深度海床超孔压的测量,大大节省了探杆制备时间及所耗费的财力。传感器量程保护装置可在不影响超孔压测量探杆正常使用的情况下自动实现量程保护。探杆在贯入沉积物过程中,外侧环境产生的超孔压过大时,装置会自动隔绝传感器与外部环境压力的联系,进而实现对传感器的保护;贯入完成后,随着超孔压的消散,装置会自动打开,重新打开管内外两侧的联系,传感器开始测量内外侧的压差。该装置能够很好的解决基于光纤光栅压差式传感器的超孔压测量探杆布放过程中出现的超量程难题。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为图1的局部结构的分解示意图。
图3为本发明的连接装置的结构示意图。
图4为本发明的连接装置的剖视图。
图5为本发明的连接装置的剖视图(内含传感器以及量程保护装置)。
图6为本发明的量程保护装置的结构示意图。
图7为本发明的保护装置在探杆贯入海底沉积物过程中示意图。
图8为本发明的保护装置在环境超孔压消散、开始测量示意图。
图中,1、密封舱连接装置,2、固定螺栓,3、空心套管,4、连接装置,5、锥头,6、螺栓,7、螺栓孔,8、外螺纹,9、内螺纹,10、上腔室,11、光纤光栅压差式传感器,12、透水石,13、中部内腔,14、透水孔,15、后端活塞,16、上透水孔,17、下透水孔,18、挡台,19压力弹簧,20、通水管,21、下腔室,22、壳体,23、连杆,24、前端活塞。
具体实施方式
如图1-6所示,带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,其特征在于该探杆顶端为密封舱连接装置1、底部为锥头5,密封舱连接装置1与底部锥头5之间为探杆主体,所述的探杆主体是由多个圆柱形空心套管3首尾串联而成,且每相邻两个空心套管3之间由连接装置4进行连接,
所述的空心套管3两端内部刻有内螺纹9;所述连接装置4整体呈圆柱形,且中部与空心套管3的直径相等、两端均刻有与所述内螺纹9相配合的外螺纹8,连接装置4中部侧面开有中部内腔13,且连接装置4自上下两端分别沿轴向开有与所述中部内腔13相通的上腔室10和下腔室21,且下腔室21较上腔室10更靠近连接装置4的中轴线;该连接装置4还设有贯通上下两端的通水管20,且该通水管20与中部内腔13、上腔室10、下腔室21均不连通;上腔室10内固定安装有光纤光栅压差式传感器11,中部内腔13的外端口处安装有透水石12,
所述的中部内腔13中还装有量程保护装置,该量程保护装置包括一个外形与中部内腔13内部形状相吻合的圆柱形壳体22,该壳体22的外端面为敞开结构,且壳体外侧面分别开有与所述的上腔室10和下腔室21相通的上透水孔16和下透水孔17,壳体22内腔的底部固定有压力弹簧19,压力弹簧19的另一端与壳体22内的后端活塞15相连,所述的后端活塞15通过连杆23与前端活塞24相连,所述的后端活塞15、前端活塞24的截面与壳体22内腔的截面一致,且前端活塞24表面设有透水孔14,为防止后端活塞15滑动时封闭下透水孔17,在下透水孔17朝向后端活塞15的一侧安装有挡台18;且当后端活 塞15向壳体22底部运动至该挡台18时,前端活塞24将所述的上透水孔16完全封闭;
光纤由通水管20贯通整根探杆,海水也由此在探杆内部流通,外部海水通过透水孔14传至上腔室10,当后端活塞15两侧压力差值高于设定值0.9FS(满量程)时,后端活塞15和前端活塞24向壳体22底部运动,使前端活塞24顶部将上透水孔16完全封闭,阻断光纤光栅压差式传感器11与外部环境压力的联系。
如图1、2,所述空心套管3的上下两端侧面分别设有多个螺栓孔7,所述连接装置4的上下两端侧面分别设有多个螺孔,且空心套管3与连接装置4通过内外螺纹相互连接之后,所述的螺栓孔7与螺孔相互一一重合,并有穿过螺栓孔7的螺栓6固定连接空心套管3与连接装置4。
如图1,上述密封舱连接装置1同位于探杆主体顶端的空心套管3通过内外螺纹相互连接,并有螺栓6将密封舱连接装置1同与其相连的空心套管3固定连接在一起,以固定螺栓2将该密封舱连接装置1与密封舱进行连接。
所述光纤光栅压差式传感器11与上腔室10之间设有密封装置,而使海水不能自下方越过而至光纤光栅压差式传感器11的上方。
所述透水石12与量程保护装置管壁之间设有密封装置。
如图7所示,探杆贯入海床过程中,杆受巨大的压力挤入沉积物中,会在管壁与沉积物接触区域瞬间产生极高的超孔压,令管外侧的水压力为P1,压力P1通过透水石12经由透水孔14、上透水孔16传入上部套管中光纤光栅压差式传感器11底部,传感器11顶部受到静水压力P2,传感器测量到即为超孔压U=P1-P2。外部环境压力P1通过透水石12作用在活塞15顶部,活塞15底部受到静水压力P2,活塞15两侧压差值与传感器测量到的超孔压数值上相等。当活塞15两侧所受压差P1-P2达到传感器量程0.8倍,即P1-P2=0.8FS时,活塞15开始向左滑动,直至活塞15顶部恰好将上透水孔16全部封闭,此时
P1-P2=0.9FS,当活塞15两侧压差U继续增大时,由于挡台18的作用活塞15不再向左滑动。此时活塞15将上透水孔16完全封闭,阻断了传感器11与外部环境压力的联系,传感器两侧压力差将一直维持在0.9FS,不会因外界环境压力的增大而超出量程,造成光纤断裂。
如图8所示,随着超孔压的逐渐消散,活塞15两侧所受压差不断减小,当压差减小到P1-P2=0.9FS时,压力弹簧19回弹,活塞15右移,直至活塞15两侧压差值到达0.8倍的传感器量程,即P1-P2=0.8FS时,上透水孔16全部打开,此时,周围环境压力通过透水石12传入上部套管的传感器14,令此时外 部环境压力为P3,传感器11此时测量到的值为周围环境的总水压力P3和该位置处的静孔隙水压力P2之差,即为超孔压Uz=P3-P2。
Claims (6)
1.带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,其特征在于该探杆顶端为密封舱连接装置(1)、底部为锥头(5),密封舱连接装置(1)与底部锥头(5)之间为探杆主体,所述的探杆主体是由多个圆柱形空心套管(3)首尾串联而成,且每相邻两个空心套管(3)之间由连接装置(4)进行连接,
所述的空心套管(3)两端内部刻有内螺纹(9);所述连接装置(4)整体呈圆柱形,且中部与空心套管(3)的直径相等、两端均刻有与所述内螺纹(9)相配合的外螺纹(8),连接装置(4)中部侧面开有中部内腔(13),且连接装置(4)自上下两端分别沿轴向开有与所述中部内腔(13)相通的上腔室(10)和下腔室(21),且下腔室(21)较上腔室(10)更靠近连接装置(4)的中轴线;该连接装置(4)还设有贯通上下两端的通水管(20),且该通水管(20)与中部内腔(13)、上腔室(10)、下腔室(21)均不连通;上腔室(10)内固定安装有光纤光栅压差式传感器(11),中部内腔(13)的外端口处安装有透水石(12),
所述的中部内腔(13)中还装有量程保护装置,该量程保护装置包括一个外形与中部内腔(13)内部形状相吻合的圆柱形壳体(22),该壳体(22)的外端面为敞开结构,且壳体外侧面分别开有与所述的上腔室(10)和下腔室(21)相通的上透水孔(16)和下透水孔(17),壳体(22)内腔的底部固定有压力弹簧(19),压力弹簧(19)的另一端与壳体(22)内的后端活塞(15)相连,所述的后端活塞(15)通过连杆(23)与前端活塞(24)相连,所述的后端活塞(15)、前端活塞(24)的截面与壳体(22)内腔的截面一致,且前端活塞(24)表面设有透水孔(14),为防止后端活塞(15)滑动时封闭下透水孔(17),在下透水孔(17)朝向后端活塞(15)的一侧安装有挡台(18);且当后端活塞(15)向壳体(22)底部运动至该挡台(18)时,前端活塞(24)将所述的上透水孔(16)完全封闭。
2.如权利要求1所述的带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,其特征在于所述压力弹簧(19)的弹力满足当后端活塞(15)两侧压力差值高于设定值0.9FS时,后端活塞(15)和前端活塞(24)向壳体(22)底部运动,而使前端活塞(24)顶部将上透水孔(16)完全封闭从而阻断光纤光栅压差式传感器(11)与外部环境压力的联系。
3.如权利要求1所述的带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,其特征在于所述空心套管(3)的上下两端侧面分别设有多个螺栓孔(7),所述连接装置(4)的上下两端侧面分别设有多个螺孔,且空心套管(3)与连接装置(4)通过内外螺纹相互连接之后,所述的螺栓孔(7)与螺孔相互一一重合,并有穿过螺栓孔(7)的螺栓(6)固定连接空心套管(3)与连接装置(4)。
4.如权利要求1所述的带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,其特征在于密封舱连接装置(1)同位于探杆主体顶端的空心套管(3)通过内外螺纹相互连接,并有螺栓(6)将密封舱连接装置(1)同与其相连的空心套管(3)固定连接在一起。
5.如权利要求1所述的带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,其特征在于所述光纤光栅压差式传感器(11)与上腔室(10)之间设有密封装置,而使海水不能自下方越过而至光纤光栅压差式传感器(11)的上方。
6.如权利要求1所述的带有量程保护装置的可拼接式海床超孔压测量探杆,其特征在于所述透水石(12)与量程保护装置管壁之间设有密封装置。
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应用电阻率探杆与声学技术监测海床高程的对比研究;李红磊等;《土木工程学报》;20111130;第44卷;第212-215、219页 * |
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